碳化作用對再生骨料混凝土的力學性能影響分析

徐波陽 吳萌萌

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804;2.同濟大學民航飛行區設施耐久與運行安全重點實驗室 上海 201804; 3.哪咤港航智慧科技有限公司 上海 200082)

近年來,隨著建筑行業基礎設施的改擴建任務逐步增多,產生了大量的建筑廢棄骨料。而利用再生循環對廢棄骨料進行處理是一種環保的可持續方法,利用這種骨料制成的混凝土稱為再生骨料混凝土(RAC)。

RAC由原生骨料、黏結砂漿和2個界面過渡區(ITZ)組成。第一個ITZ位于原骨料和舊砂漿之間,稱為舊界面過渡區,第二個ITZ位于舊砂漿和新拌水泥砂漿之間,稱為新界面過渡區。舊砂漿對ITZ 的數量、分布,以及性能的差異有很大的影響,這導致相比于天然混凝土,RAC中水泥砂漿疏松多孔,再生骨料吸水率和孔隙率高,因此直接造成RAC力學性能下降。為此,大量學者提出了各類強化方法以促進再生骨料的再利用,如用超聲波清洗法[1]、加熱研磨法[2]或用鹽酸、硫酸、磷酸預浸泡法[3]來去除附著砂漿,或者采用水玻璃[4]、火山灰材料[5]涂層來提高附著砂漿質量。然而,這些方法要么引入了新的環境問題,要么不經濟。通過分析各類改性方法的優缺點,最終對比發現碳化具有明顯的優勢,因為碳化不僅改善了RCA的界面和力學性能,還實現了碳捕捉和碳固定[6]。

碳化是指采用CO2對RAC進行預處理的一種方法[7]。經過碳化處理后,再生骨料的力學性能和物理性能均有所改善,而且骨料的化學成分不受碳化的影響,最大限度地保證了骨料顆粒結構的完整性。CO2強化法通過化學反應生成固相物質,填充了孔隙,達到增強骨料附著砂漿的目的,碳化后形成具有低Ca-Si比的C-S-H 凝膠和一層致密的碳酸鈣保護層,可以降低氯離子的滲透性,且不引入任何額外成分,從而提高再生骨料混凝土的耐久性[8]。雖然碳化處理在理論上具有良好的應用價值,但是國內外目前針對碳化再生骨料水泥混凝土的研究還相對較少,尤其是在基本力學性能方面,更是缺乏相關的研究數據,尚未得出普遍性的研究定論。

基于上述內容,本文以不同黏附砂漿含量下是否進行碳化處理為研究變量,分析在碳化作用影響下再生骨料水泥混凝土的力學性能變化規律,以抗壓強度和抗折強度為力學性能的評價指標,分析碳化的影響效果。

1 碳化再生混凝土性能改善機理

再生混凝土中,不僅骨料與砂漿的界面過渡區中存在裂縫,其附近的砂漿中也有許多微裂紋,碳化過程中,CO2很容易與富集在界面過渡區的 Ca(OH)2發生反應,生成小的碳酸鈣顆粒,填充在骨料和界面孔隙中,減少了界面厚度,這對舊骨料與新砂漿的界面過渡區的顯微硬度有顯著的提升效果,因此碳化再生骨料內部的整體結構更加致密,總孔隙率也有所降低。此外再生混凝土中往往存在松散的水化產物、連通孔隙和微裂縫,這大大削弱了水泥漿體和再生骨料之間的黏結強度,然而碳化再生混凝土生成的CaCO3顆粒使得界面結構致密化,這使得界面過渡區中填充了許多新的產物,幾乎沒有孔隙和微裂縫,因此提高了界面的硬度。

2 原材料性能

2.1 水泥

所用水泥為P·O 42.5強度等級的普通硅酸鹽水泥,由山東某品牌水泥公司提供,其化學組分見表1。

表1 水泥各化學成分質量所占百分比 %

2.2 粗骨料

再生骨料來源于實驗中成型的天然混凝土,該混凝土抗壓強度等級為C50,首先清理試件表面,去除雜質;然后人工錘擊大塊混凝土,使其破碎成相對較小的試塊;接著用顎式破碎機進行破碎;對機器破碎效果不好的試塊進行二次人工處理;最后進行篩分,便得到再生粗骨料。制備過程嚴格按照規范進行,保證再生粗骨料的粒徑范圍為5～20 mm。

2.3 砂

試驗所用細骨料為天然水洗河砂,顆粒連續級配。烘干后根據JGJ 52-2006 《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》以及GB/T 14684-2022《建設用砂》相關規定進行篩分、基本物理性能測試并評定,均符合要求,有害物質均在規定值以下。砂的相應物理性能指標見表2。

表2 砂物理性能

2.4 CO2

實驗中所用CO2是由鄭州源正氣體有限公司生產,純度>99%。

3 試驗方案

3.1 試件尺寸及配合比

根據JGJ 55-2011 《普通混凝土配合比設計規程》,用再生粗骨料RCA和CRCA(RCA碳化處理后的再生粗骨料)分別配制水泥混凝土,再生水泥混凝土采用水泥、砂、再生粗骨料和水4種材料,不摻任何外加劑。混凝土的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm和400 mm×100 mm×100 mm 2種規格。再生混凝土拌合物坍落度控制在60～80 mm。

配制碳化再生骨料水泥混凝土和未碳化處理再生骨料水泥混凝土時,水灰比取0.40。以再生骨料RCA配制的水泥混凝土記作RAC,RCA砂漿含量為36%的記為RAC-36%,RCA砂漿含量為43%的記為RAC-43%,RCA砂漿含量為50%的記為RAC-50%;以碳化再生骨料CRCA配制的水泥混凝土記作CRAC,CRCA砂漿含量為36%的記為CRAC-36%,CRCA砂漿含量為43%的記為CRAC-43%,CRCA砂漿含量為50%的記為CRAC-50%。

3.2 再生骨料碳化

將再生骨料放入碳化箱中,在相對濕度為(60±5)%、溫度控制為(20±2)℃、CO2質量分數為20%的條件下加速碳化7 d。將碳化后的再生粗骨料記作CRCA。考慮到再生粗骨料碳化效果,將骨料均勻擺放到托盤上,再將托盤鋪放到碳化箱架子上。為了保證再生粗骨料表面的黏結砂漿被充分碳化,實驗中每間隔一段時間,翻動再生骨料并取出少部分再生骨料,然后向其表面噴灑1%的酚酞乙醇溶液,觀察其顏色是否變紅,檢測其表面是否碳化,接著用研缽將骨料黏附砂漿研磨成粉末狀,并噴灑1%的酚酞乙醇溶液,觀察砂漿內部的碳化程度。碳化前其顏色明顯變紅,而碳化7 d后再生骨料顏色微粉,這表明雖然沒有完全碳化,但其碳化程度也已經相當高,而且本試驗所用的碳化再生骨料都是在同一條件下加速碳化7 d,未完全碳化并不影響試驗結果。

3.3 混凝土試件的成型和養護

先將再生骨料和砂按先后順序倒入HJW60型單臥軸混凝土攪拌機中混合攪拌均勻30 s,之后加入水泥混合攪拌1 min至均勻混合,再加入水攪拌3 min。然后把拌合物倒入提前刷好脫模劑的長方體和正方體模具中,長方體模具尺寸為400 mm×100 mm×100 mm,正方體模具尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。再將模具放于振動臺振搗密實,用刮刀抹平以澆模成型,之后在模具上覆蓋塑料薄膜并編號,放在標準養護室進行標準條件(溫度(20±2) ℃,相對濕度(97±2)%)下的養護;24 h后拆模,將試件放置在飽和Ca(OH)2溶液中,在20 ℃的條件下養護至規定齡期取出備用。

3.4 力學性能試驗

3.4.1抗壓強度試驗

根據GB/T 50081-2019 《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規定,對NAC、RAC、CRAC混凝土試件進行抗壓強度測試。所用試件為養護28 d的100 mm×100 mm×100 mm非標準試件,選用混凝土配合比設計中的全部組別,試件共9組,每組3個平行試件,共27個。采用液壓式萬能試驗機按力控制的方式對試件進行加載,按照試驗標準控制加載速率為0.05 MPa/s,連續均勻施加荷載進行抗壓強度測試,當試件接近破壞并發生較大變形,并直至試件破環時,立即停止加荷。每組混凝土試件的抗壓強度結果均取3個立方體試件試驗的平均值。

3.4.2抗折強度試驗

根據GB/T 50081-2019 《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規定,對NAC、RAC、CRAC混凝土試件進行抗折強度測試。所用試件為養護28 d的100 mm×100 mm×400 mm非標準試件,選用混凝土配合比設計中的全部組別,試件共9組,每組3個平行試件,共27個。采用液壓式萬能試驗機按力控制的方式對試件進行加載,按照試驗標準控制加載速率為0.05 MPa/s,連續均勻施加荷載進行抗折強度測試,當試件接近破壞并發生較大變形,并直至試件破環時,立即停止加荷。每類混凝土試件的抗折強度試驗結果均取3個棱柱體試件的平均值。

4 試驗結果

4.1 抗壓強度

根據上文所述的方法得到各類混凝土試件的抗壓強度,見表3。

表3 2類混凝土試件抗壓強度表

將表3的試驗結果繪制成圖,見圖1。

圖1 2類混凝土抗壓強度對比

圖1反映了RAC和CRAC 2組混凝土的抗壓強度隨砂漿含量變化的趨勢。可以發現,不論是RAC還是CRAC,其抗壓強度隨著混凝土砂漿含量的增加呈現先增加后降低的趨勢。當RCA砂漿含量為43%時,RAC和CRAC的抗壓強度達到最大,在RCA砂漿含量為50% 時抗壓強度最低。

觀察圖1中的RAC及CRAC曲線可以發現,在任意砂漿含量下的RAC的抗壓強度都顯著低于CRAC。根據表3可知,CRAC-36%、CRAC-43%、CRAC-50%的抗壓強度分別比RAC-36%、RAC-43%、RAC-50%的抗壓強度提高了14.91%,11.54%,15.56%,且不同砂漿含量下,強度的提升數值基本相同,這表明再生骨料經過碳化強化處理后,RAC的抗壓強度得到了顯著改善。

4.2 抗折強度

根據上文所述的方法計算得到各類混凝土試件的抗折強度,見表4。

表4 2類混凝土試件抗壓強度表

將表4的試驗結果繪制成圖,見圖2。

圖2 2類混凝土抗折強度對比

圖2反映了RAC和CRAC 2組混凝土的抗折強度隨砂漿含量變化的趨勢。從圖中可以看出,不論是RAC還是CRAC,隨著骨料砂漿含量的增加,混凝土的抗折強度降低。當RCA砂漿含量為36%時,2組混凝土的抗折強度達到最大,在RCA砂漿含量為50% 時抗折強度最低。

觀察圖2中的RAC及CRAC曲線可以發現,在任意骨料附著砂漿含量下的RAC的抗折強度均低于CRAC。根據表4可知,CRAC-36%、CRAC-43%、CRAC-50%的抗折強度分別比RAC-36%、RAC-43%、RAC-50%的抗折強度提高了3.27%,2.50%,1.22%,這表明再生骨料經過碳化強化處理后,RAC的抗折強度得到了一定的改善。

5 結論

根據目前對碳化再生混凝土的研究,結合本試驗的研究結果,得出在砂漿含量分別為36%,43%,50%的混凝土試件中,碳化對于再生骨料混凝土力學性能的影響效果,得到如下結論。

1) 在抗壓強度試驗中,RAC和CRAC的抗壓強度隨著混凝土砂漿含量的增加均呈現先增加后降低的趨勢,且砂漿含量為50%時強度最高,而抗折強度試驗中,隨砂漿含量增加抗折強度降低。

2) 經過CO2碳化強化后,再生混凝土的抗壓強度提升11.54%～15.56%,抗折強度提升1.21%～3.28%,且不同砂漿含量下,強度提升量大致相同,因此碳化再生混凝土的力學性能明顯高于未碳化的再生混凝土。